2019 Fiscal Year Annual Research Report
実時間動力学シミュレーションと複合現実を用いた手術支援システム
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18H04102
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近野 敦 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90250688)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
七戸 俊明 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (70374353)
陳 暁帥 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (40812277)
佐瀬 一弥 東北学院大学, 工学部, 講師 (20805220)
辻田 哲平 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (40554473)
安孫子 聡子 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40560660)
小水内 俊介 北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (40708004)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 手術支援 / 拡張現実 / 手術シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
腹腔鏡手術は低侵襲で患者への負担が少ない反面，手術器具操作の自由度が制限される，器具から受ける力を術者が感じにくい，カメラに死角が存在する，出血時の止血が難しい，などの理由により高度な手術手技が要求される．本研究は，腹腔鏡手術中のヒューマンエラーを未然に防ぎ，安全性を高めつつ手術を容易にする手術支援システムを開発することを目的とする．
この目的の達成のために，研究開発項目を大きく，1手術支援システムの開発，2アニマル実験での手術支援システムの評価，に分け，小課題として，1-1手術手技の定量的評価法の確立，1-2医用画像からの臓器モデル自動生成法の確立，1-3臓器変形・発生応力実時間推定，1-4臓器プロジェクションマッピング，2-1アニマル実験での手術手技の記録と解析，2-2臓器変形，発生応力実時間推定の実験・評価，2-3手術支援システムの評価・検証，を設けた．2019年度は1-1, 1-2,1-3, 1-4, 2-1, 2-2の小課題に取り組んだ．
課題1-1, 2-1では，2018年度に赤外線反射マーカーを取り付けた腹腔鏡手術器具を用いて，泌尿器科の外科医と医学生の手術技量を測定，解析したが，2019年度は泌尿器外科医に加え，消化器外科医，婦人科医科を対象とし，ブタ臓器を用いたリンパ節郭清と腎実質縫合実験で手術技量の評価を行った．評価では手術器具の移動距離，速度，鉗子把持圧など様々指標を設け主成分分析(PCA)を行いサポートベクターマシン(SVM)による分類で技量判定を行った．
課題1-2，1-3, 1-4では，腹腔鏡下手術トレーニングボックス内に臓器に見立てたシリコンゴム直方体モデルを配置し，モーションキャプチャー装置で手術器具の位置を測定しシリコンゴムモデルと手術器具の接触力を推定，その変形をトレーニングボックスにプロジェクションマッピングする技術を確立した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
腹腔鏡手術の支援を行うためには，手術器具の動きから現在医師が行っている手術を推定する必要があるが，手術器具に簡単に取り付け可能なマーカー冶具の開発により手術中の器具の動き，交換作業を計測することが可能となった．泌尿器外科医，消化器外科医，婦人科外科医の43人の模擬手術を計測し，評価指標に対して，主成分分析による次元縮小，サポートベクターマシンによる分類を行うことにより，技量を数値化する手法を開発した．これらの成果は雑誌論文として投稿し，1件が採択決定，2件が査読中となっている．また，その他の課題で雑誌論文3件が採択されている．そのほか，査読付き国際会議で6件の発表を行い，そのうち1件で発表した学生がInternational Award (Best Conference Paper Awardに相当)を受賞し，1件でBest Conference Paper Finalistとなるなど，期待した成果が得られている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は腹腔鏡下手術トレーニングボックス内に臓器に見立てたシリコンゴム直方体モデルを配置し，実時間手術シミュレーションを行い，手術器具とモデルの接触力を推定し，モデルの変形をトレーニングボックスにプロジェクションマッピングする技術を開発した．2020年度は，トレーニングボックスによるブタ臓器を用いたリンパ節郭清と腎実質縫合実験でブタ臓器の変形・切断・剥離を推定し，トレーニングボックスにプロジェクションマッピングする技術を開発する．2021年度には腹腔鏡手術の対象となることが多い肝臓，胆嚢，膵臓および腹部周辺の臓器モデルを用いて，マーカー付き手術器具による医師の操作から臓器の変形，発生応力を実時間推定し，手術者に提示するシステムとして完成させる．
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[Journal Article] Development and validation of a measurement system for laparoscopic surgical procedures2020
Author(s)
Koki Ebina, Takashige Abe, Shunsuke Komizunai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Yo Kurashima, Nobuo Shinohara and Atsushi Konno
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Journal Title
SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration
Volume: 13
Pages: 191-200
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] A measurement and skill evaluation system for laparoscopic surgical procedures2019
Author(s)
Koki Ebina, Takashige Abe, Shunsuke Komizunai, Teppei Tsujita, Kazuya Sase, Xiaoshuai Chen, Madoka Higuchi, Jun Furumido, Naoya Iwahara, Yo Kurashima, Nobuo Shinohara and Atsushi Konno
Organizer
SICE Annual Conference 2019 (SICE2019)
Int'l Joint Research
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